清华大学任天令教授团队综述：柔性混合表皮电子系统应如何设计？

研究背景：

柔性混合表皮电子系统（FHEES）由传统的刚性电子元件和柔性电子元件组成。考虑到柔性集成电路芯片的研究仍处于起步阶段，如ARM公司推出的基于铟镓锌氧化物薄膜晶体管技术的32位塑料ARM微处理器，它距离实现与硅基处理芯片相同的性能、密度和功效的目标还有很长的路要走。因此，由于商用柔性芯片的缺失，柔性混合表皮电子系统将在很长一段时间内主导柔性电子学应用的主要组成架构。

近年来，多模态的柔性混合表皮电子系统的研究随着材料科学、电子工程学以及人工智能的发展而快速发展。多模态柔性混合表皮电子系统以其重量轻、结构柔软、佩戴舒适以及生物信号采集界面稳定的独特优势在人机交互与医疗健康领域展现出了巨大应用潜力。然而，过往的综述论文都只聚焦于材料或器件层面，亦或者以应用为主导，少有对系统结构的讨论，这对于从事柔性电子系统工程开发的研究者或工程师而言是不利的。因此，本文根据系统结构的不同设计策略，首次将柔性混合表皮电子系统分为“一体式”和“组装式”两种，并基于此二元分类分别讨论其设计策略与适用方向。

研究内容：

• 总述

如图所示，一体式多模态柔性混合表皮电子系统采用堆叠式软硬一体结构，通常由靠近皮肤的柔性组件、中间层的柔性基底、顶层的刚性组件和柔性封装组成。一体式多模式FHEES通常以传感面积和佩戴舒适度为代价，表现出高度的集成密度、可重用性和功能稳定性，非常适合采集小面积皮肤信号。组装式的多模态柔性混合表皮电子系统使用异构（软模块和硬模块）分离集成技术来避免柔性和刚性组件之间的直接接触。组装的多模式柔性混合表皮电子系统可以利用更薄、更大面积的柔性表皮电子元件来实现更高质量、更多样化的皮肤共形采集，但软模块和硬模块之间信号接口的稳定性变得至关重要。

• 一体式多模态柔性混合表皮电子系统

多层堆叠是一体式多模态柔性混合表皮电子系统的典型特征。在集成电路芯片和印刷电路板的设计和制造中，多层堆叠技术提高了系统集成密度。在生物体内，具有不同功能的多层生物组织形成复杂而完整的功能器官。因此，在多模态多模态柔性混合表皮电子系统的开发中，研究人员使用相同的方法来增加功能密度并提高工作稳定性。目前，一体化多模态多模态柔性混合表皮电子系统是研究最广泛、应用最广泛的柔性电子系统，它打破了人们对电子设备刚性与金属质地的传统印象。

在这篇综述中，我们首先介绍了一体化多模态柔性混合表皮电子系统的设计策略和应用范围。在设计策略中，岛桥结构、基底选择、可拉伸互连、层间通孔和电源被逐一介绍。近年来一体式多模态柔性混合表皮电子系统在人机交互和医疗健康领域的代表性应用报道得到了梳理和总结。

• 组装式多模态柔性混合表皮电子系统

组装式多模态柔性混合表皮电子系统将软模块与硬模块分开，然后通过软硬接口将它们连接起来，形成完整的功能系统。从使用角度来看，组装结构可以分别利用软模块和硬模块的优点，实现舒适和强大的柔性混合表皮电子系统。从生产的角度来看，将软模块和硬模块的制备过程分开可以解决柔性和刚性组件之间的不兼容性，从而提高产品的稳定性，降低成本。随着表皮电子系统研究的快速发展，组装式多模态柔性混合表皮电子系统正成为一种发展趋势。

论文强调了组装式多模态l柔性混合表皮电子系统的设计目的和策略。软硬界面是被讨论的关键问题，此外设计策略介绍中还依次概述了基底的选择、图案化工艺和可拉伸导体。对于组装式柔性混合表皮电子系统，肢体末端传感、生理电信号采集和大面积阵列传感则是三种典型应用。

• 展望

对于一体化多模态柔性混合表皮电子系统而言，堆叠分层问题，皮肤共形问题，供能方式，透气性问题，数据传输以及制造工艺方面还存在各种挑战。组装式多模态柔性混合表皮电子系统则要关注软硬接口设计，系统稳定性，信号采集的特异性以及可回收性。